ВИБРАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ. ВИДЫ И ПАРАМЕТРЫ ВИБРАЦИИ. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ВИБРАЦИИ

При разработке новых изделий, связанных с изменением их конструктивной схемы, например, изменения способа крепления корпуса ЭБУ или датчика и исполнительного механизма, материала корпуса или технологии производства, например, переход на конструкцию печатной платы гибридной технологии, всегда проводят испытания по обнаружению резонансных частот конструкции изделия или его компонентов. Этот вид испытаний позволяет выявить резонансные частоты изделий или их отдельных частей в каждом из трех взаимно перпендикулярных направлений.

В момент совпадения резонансной частоты части конструкции с частотой возмущающей силы амплитуда колебаний увеличивается более чем в 2 раза, а фаза колебаний изменяется на 90°. Доказано, что максимальные механические напряжения в конструкции изделия и наибольшие деформации происходят на наинизших резонансных частотах, хотя на практике колебательная система конструкции изделия обладает несколькими резонансными частотами.

Поиск резонансных частот осуществляют путем плавного изменения частот вибрации при поддержании постоянной амплитуды ускорения в пределах от 1 до 5 g и амплитуды смещения не более 1,5 мм, что направлено на недопущение разрушения испытуемого изделия.

В случаях сложности регистрации резонансных колебаний элементов конструкции резонансные частоты определяют по изменению выходных параметров изделия.

Обычно контрольные точки для измерения ускорения или амплитуды вибрации выбирают на плите (столе) вибростенда или на крепежном приспособлении около точки крепления изделия и в верхних корпусных некольсольных точках изделия.

Когда виброприемник (датчик) крепят на плите стенда в точках крепления приспособления с помощью угольника или другой переходной детали, собственная частота колебаний приспособления должна быть в 2 раза выше наибольшей испытательной частоты. При креплении вибродатчика на верхних корпусных неконсольных точках изделия ограничения на собственную частоту колебаний приспособления не накладываются.

По результатам испытаний на определение резонансных частот можно оценить коэффициент конструктивного запаса изделия по формуле

*з=/нр//вв,

где /нр — наименьшая резонансная частота испытуемого изделия; /вв — верхняя частота рабочего диапазона, заданная в технических требованиях.

Из приведенной формулы следует, что чем выше/нр испытываемого изделия и больше коэффициент конструктивного запаса изделия, тем выше вибропрочность изделия при равных рабочих условиях. Когда/нр > 1000 Гц, испытания на ударопрочность не проводят, а при/нр > 2/вв проводят испытания на виброустойчивость.

Испытания на виброустойчивость предназначены для проверки способности изделий АЭ выполнять функции управления и сохранять свои параметры в пределах значений, указанных в НТД, в заданном диапазоне частот и ускорений вибрации. Эти испытания проводят под электрической нагрузкой, контролируя параметры изделия в процессе испытаний. Обычно контролируют потребляемый ток, выходное напряжение, форму и параметры электрических процессов и т.д.

Испытания на вибропрочность заключаются в проверке способности изделий противостоять разрушающему действию вибрации и сохранять свои параметры после испытаний.

Испытания на виброустойчивость и вибропрочность проводят методами фиксированных частот, качающейся частоты и случайной вибрации. Выбор метода испытаний зависит от величины резонансных частот изделия. При превышении резонансной частоты в 1,5 раза и более верхнего диапазона работоспособности изделия применяют метод испытаний на фиксированной частоте. Если резонансные частоты не установлены, то используют метод качающейся частоты. А если испытуемое изделие имеет несколько резонансов в рабочем диапазоне частот, то применяют метод испытания случайной вибрации. Вид испытания также определяет метод испытания.

При периодических испытаниях изделий АЭ испытания на вибропрочность проводят на стенде, создающем практически синусоидальную вибрацию в вертикальном направлении частотой 50 ± 2 Гц с максимальным ускорением 50 мс-2 (5§), а для изделий, крепящихся непосредственно на двигателе внутреннего сгорания, — до 100-150 мс-2 (10-15 g).

При типовых испытаниях изделий АЭ испытания на вибропрочность проводят на стенде, создающем практически синусоидальные колебания вертикального направления в диапазоне частот 50— 250 Гц с отклонением ±5% и максимальным ускорением 50 мс-2 (5 %), а для изделий, крепящихся на ДВС, — до 100—150 мс-2 (10— 15 g). Испытания проводят на качающейся частоте со скоростью качения 1—2 октавы в минуту или на частоте резонанса в пределах частотного диапазона.

Метод испытаний на фиксированных частотах вибрации является недостаточным для определения в полной мере стойкости изделия к воздействию механических нагрузок в эксплуатации, но используется при заводских испытаниях, так как для испытаний применяются простейшее оборудование и отработанные методики.

Структурная схема виброиспытаний на фиксированных частотах приведена на рис. 6.1. Режим испытаний регулируется уровнем выходного сигнала задающего генератора на фиксированной частоте до требуемого значения амплитуды ускорения вибрации последовательно по всему ряду значений частот, указанных в НТД.

Структурная схема испытаний изделий АЭ методом фиксированных частот вибрации

Рис. 6.1. Структурная схема испытаний изделий АЭ методом фиксированных частот вибрации:

7 — задающий генератор; 2 — усилитель мощности; 3 — вибратор; 4 — испытуемое изделие; 5 — вибродатчик; 6 — виброизмерительная аппаратура

При испытаниях на виброустойчивость время выдержки испытательного режима — не менее 5 мин, а при испытаниях на вибропрочность — 8 ч.

Изделия электрооборудования, например, мотор-генераторы и АЭ, массой более 12 кг или имеющие габариты, выходящие более чем на 15 мм за габариты стола стенда, испытывают на вибропрочность отдельными блоками при увеличении значения вибрационного ускорения на 5 § в том же диапазоне частот. Испытания методом качающейся частоты вибрации проводят путем главного изменения частоты в заданном диапазоне от нижней до верхней границы и обратно при постоянном ускорении и амплитуде вибрации в течение определенного времени. Структурная схема этих испытаний приведена на рис. 6.2.

Структурная схема испытаний методом качающейся частоты

Рис. 6.2. Структурная схема испытаний методом качающейся частоты:

7 — задающий генератор с блоком качения частоты (БКЧ) и автоматическим регулятором уровня (АРУ) ускорений вибрации; 2 — усилитель мощности управляющего сигнала; 3 — вибростенд; 4 — испытуемое изделие; 5 — вибродатчик; 6 — вибро-измерительная аппаратура, имеющая обратную связь с АРУ

С помощью блока качения частоты задают частоту генератора звуковой частоты / (см. рис. 6.2), а автоматический регулятор уровня вибрации изменяет выходное напряжение генератора /, т.е. мощность колебаний на выходе усилителя мощности 2, подводимых к подвижной катушке электродинамического вибратора. Вибрации измеряются вибродатчиком 5. Через обратную связь ви-броизмерительного прибора 6 осуществляется автоматическая компенсация колебаний частотной характеристики, уровня ускорения и амплитуды. Глубина регулировки регулятора уровня вибрации для обеспечения равномерной амплитудно-частотной характеристики вибратора составляет несколько десятков децибел.

Закон изменения частоты вибрации во времени обычно считают экспоненциальным законом, описываемым формулой

где /в — частота вибрации в момент времени /, Гц; /, — нижняя частота испытательного диапазона 50 Гц; к — значение степени, характеризующей скорость качения частоты.

Скорость изменения частоты вибрации выбирают такой, чтобы время изменения частоты в резонансной полосе частот /Д/ было не меньше времени нарастания амплитуды вибрации изделия при резонансе до установившегося значения /нар и времени окончательного установления подвижной части измерительного или регистрирующего прибора (/у), т.е.

*?/> 'нар> ?Д/> 1У ’ учитывая, что /нар * кх • С?//0,

где/0 — резонансная частота, Гц; 0 добротность изделия; кх — коэффициент, учитывающий увеличение времени нарастания амплитуды изделия до установившегося значения из-за отклонений изменения амплитуды от линейного закона х = 2—3).

Значения/0 и (2 определяют прямыми измерениями или используют значения аналогов изделий. Для уменьшения времени испытаний, что экономически выгодно, скорость качения выбирают не более 2 октав в 1 мин.

При этом для скорости качения используют следующую формулу

200 и

^ 20 + 1Л

ик =

20-1

< 2 окт/мин,

'4Г

где t^^ выбирают из условий t^^ > ?нар и > ?у.

Если скорость качения будет больше 2 окт/мин, то ее все равно выбирают 2 окт/мин, а если меньше, то ее округляют до 1.

В процессе эксплуатации автомобилей на изделия электроники воздействуют не одночастотные синусоидальные колебания, а колебания со сложным спектром частот. Поэтому на стадии разработки изделия проводят испытания на воздействие широкополосной случайной вибрации по структурной схеме, представленной на рис. 6.3. При таких испытаниях одновременно возбуждаются все резонансы испытуемого изделия с учетом их взаимного влияния так же, как в реальных условиях эксплуатации. В качестве сигнала для задающего генератора используется сигнал белого шума, ко-

торый поступает через узкополосные фильтры фиксированных частот, настраиваемые так, чтобы получить заданную характеристику спектральной плотности ускорений рабочего стола вибростенда с учетом частотных характеристик его и приспособления для крепления изделия. Программа таких испытаний задается аналогично графику, показанному на рис. 6.4.

Структурная схема испытаний методом широкополосной случайной вибрации

Рис. 6.3. Структурная схема испытаний методом широкополосной случайной вибрации:

  • 7 — задающий генератор; 2 — блок фильтров частотного диапазона; 3 — усилитель мощности управляющего сигнала; 4 — вибростенд; 5 — испытуемое изделие; б — вибродатчик; 7 — записывающая вибрацию аппаратура; 8 — анализатор частот;
  • 9 — регистрирующая аппаратура
  • ?ЯЛ, Гц-1 А

/,Гц

Рис. 6.4. График спектральной плотности ускорения вибрации, полученный с использованием метода случайной вибрации

Однако для использования метода испытаний широкополосной случайной вибрации необходимо сложное и дорогостоящее оборудование, поэтому применяют метод случайной вибрации со сканированием полосы частот. Случайная вибрация возбуждается в узкой полосе частот, а центральная частота по экспоненциальному закону медленно сканируется в диапазоне частот в процессе испытания. Эквивалентность этого метода с методом широкополосной вибрации возможна при соблюдении условия

7 = ^ = с°П8',

где у — градиент ускорений, м • с~2; а — среднеквадратическое ускорение вибрации в узкой полосе частот, измеренное в контрольной точке, м • с~2;/ — центральная частота полосы, Гц.

Градиент ускорения находят по формуле

7 = 0,22ДхТ),

где 5(/) — спектральная плотность ускорения вибрации при испытании методом широкополосной случайной вибрации.

Длительность испытаний на случайную вибрацию со сканированием в определенной полосе частот

^ = 2^Л(/2//|),

где tn — длительность испытания на случайную вибрацию со сканированием полосы частот; длительность испытания на широкополосную случайную вибрацию;/] и/2 — нижняя и верхняя границы диапазона частот испытаний.

Параметры испытаний методом широкополосной случайной вибрации приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Параметры испытаний при длительности воздействия вибрации 34 с в диапазоне 20—2000 Гц

Степень

жесткости

Среднее квадратическое ускорение, Гц-1

Спектральная плотность ускорения, Гц-1

I

100

0,05

II, III, IV

200

0,20

Для сокращения времени испытаний при сохранении диапазона частот испытаний применяют метод ускоренных испытаний. Ускорения испытаний (сокращение времени) достигают увеличением амплитуды ускорения и величины ускорения. При этом должно соблюдаться условие сохранения механизма отказа испытуемых изделий методом ускорения по сравнению с обычными условиями испытаний.

Важными моментами виброиспытаний являются метод и схема измерения параметров вибрации, что определяется типом вибродатчика (вибропреобразователя).

Для измерения параметров вибрации применяют: индуктивные, трансформаторные, электродинамические, электромагнитные, емкостные, резистивные и пьезокерамические вибродатчики (вибропреобразователи).

Индуктивные и трансформаторные вибропреобразователи имеют небольшой участок линейности амплитудно-частотной характеристики и применяются для измерения постоянной составляющей ускорения.

Электродинамические и электромагнитные вибродатчики имеют большие массу и габариты, требуют преобразователей сигнала (для ускорения дифференцирования).

Емкостные вибропреобразователи имеют низкий порог чувствительности, их характеристики зависят от внешней среды и т.д.

Резистивные вибродатчики применяют на низких частотах (до 10 Гц) в акселерометрах и вибрографах.

Пьезоэлектрические вибродатчики имеют малые габариты и массу, широкий диапазон рабочих частот (от долей герц до десятков килогерц) и могут работать при ускорениях до тысячи g. Некоторые технические характеристики датчиков приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Характеристики вибродатчиков

Тип

датчика

Чувствительность, мВ/мс-2

Диапазон частот, Гц

Емкость,

пФ

Собственная частота, кГц

Масса,

г

Д14

2,5

20-10 000

1000

30

30

ПС-579А

0,05

10-10 000

300

100

5

ПС-318

0,2-0,5

50-5000

1500

30

40

Сигнал с вибродатчика поступает на согласующий усилитель, который предназначен для согласования выходного сопротивления вибропреобразователя и измерительного усилителя. Измерительный усилитель усиливает сигнал до величины, воспринимаемой детектором. После этого сигнал детектируется и измеряется магнитоэлектрическим прибором, шкала которого проградуирована в абсолютных и относительных единицах.

К требованиям к измерительному каналу относятся равномерная во всем диапазоне частот частотная характеристика и практически полное отсутствие искажения формы сигнала вибрации.

Практика измерений и изучения вибронагрузок изделий АЭ показала, что максимальные энергия колебаний и значения уровней виброускорений возникают при максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя и скорости движения транспортных средств. При этом уровни виброускорений и частотный диапазон воздействий на изделия АЭ, устанавливаемые на двигателе и на шасси, существенно отличаются. Значения виброускорений и частотный диапазон, приведенные в табл. 6.3, служат отправными данными при составлении норм испытаний на вибропрочность.

Таблица 6.3

Уровни виброускорений и частотный диапазон

Место

установки

изделия

Среднее значение виброускорений g, мс~2

Частотный

диапазон,

Гц

Требуемая собственная частота изделия, Гц

Двигатель

14,29

13,5-350

400

Шасси

3,67

50-120

170

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >